基于MATLAB GUI對燃?xì)庹{(diào)壓閥數(shù)值計算方法

袁慶洪，劉可，張燕

（1.西南油氣田分公司 集輸工程技術(shù)研究所，成都610042；2.西南油氣田分公司 天然氣研究院，成都610213）

0 引 言

調(diào)壓閥屬于工業(yè)過程控制范圍內(nèi)的一種調(diào)節(jié)閥。對于調(diào)壓閥的選型，若流通能力過大，會造成浪費，并由于調(diào)壓閥在小開度情況下工作，易于振蕩，調(diào)節(jié)性能變差；若流通能力過小，則不能滿足流量要求[1]。調(diào)壓閥的選型通常有兩種方法：數(shù)值計算法和流量表選型法（試驗數(shù)據(jù)法）。調(diào)壓閥的數(shù)值計算，因流體形態(tài)不同而計算方法不同[2]。通過選擇調(diào)壓閥類型、內(nèi)部元件結(jié)構(gòu)形式、流向等不同參數(shù)，然后進行相應(yīng)計算，最終得到調(diào)壓閥的額定Cv值（C100），然后根據(jù)額定Cv值去選擇廠家對應(yīng)的閥門通徑及閥座直徑的調(diào)壓閥。

1 調(diào)壓閥的主要計算公式和參數(shù)

調(diào)壓閥的主要計算公式和參數(shù)如表1所示，限于篇幅，公式符號的含義，可參見文獻[3]。

2 調(diào)壓閥選型的數(shù)值計算編程

2.1 數(shù)值計算程序邏輯框圖（如圖1）

2.2 程序界面和參數(shù)選擇

2.2.1 GUI界面

利用MATLAB GUI可視化編程，將程序界面大體分為5個區(qū)域：標(biāo)題欄、基本參數(shù)輸入欄、計算參數(shù)欄、閥型數(shù)據(jù)選擇欄、計算結(jié)果和圖像輸出欄。程序界面如圖2所示。

表1 調(diào)壓閥的主要計算公式和參數(shù)

2.2.2 調(diào)壓閥主要特性參數(shù)和閥口開度

1）FL、xT和Fp。

FL為壓力恢復(fù)系數(shù)，是一個固定常數(shù)。它與閥的結(jié)構(gòu)、流路形式有關(guān)，而與閥口徑大小無關(guān)[5]；臨界xT為差壓比，取決于閥的結(jié)構(gòu)，即流路形式；Fp為管件形狀修正系數(shù)，與管道直徑D和調(diào)壓閥公稱直徑Dg的比值有關(guān)。以單座柱塞型調(diào)壓閥為例，其上述3個參數(shù)列表如表2所示。

圖1 調(diào)壓閥的數(shù)值計算程序邏輯框圖

2）閥口開度。

閥口開度關(guān)系到調(diào)壓的穩(wěn)定。開口過小，容易在調(diào)壓閥節(jié)流口產(chǎn)生渦旋、氣蝕、振動，甚至嘯叫[6-7]。所以，應(yīng)根據(jù)不同的閥芯特性對閥口開度進行校驗，使流量的變動范圍對應(yīng)的閥口開度滿足要求。

3 額定流量系數(shù)的函數(shù)圖像

圖2 燃?xì)庹{(diào)壓閥的選型計算軟件界面

表2 單座閥的FL、xT和Fp

額定流量系數(shù)C100是調(diào)壓閥全開時的流量系數(shù)，代表調(diào)壓閥的流通能力。口徑越大，流量系數(shù)越大。閥的類型不同，阻力系數(shù)不同，流量系數(shù)不同。因此，根據(jù)額定流量系數(shù)選擇調(diào)壓閥口徑時，要特別注意調(diào)壓閥的類型[5]。

為便于用函數(shù)圖像將額定流量系數(shù)表達(dá)出來，本文對影響流量系數(shù)的部分參數(shù)做了一定的假定：1）在一定壓力范圍內(nèi)，燃?xì)饨^熱系數(shù)k和壓縮系數(shù)Z均為常量。故此，對于特定結(jié)構(gòu)的調(diào)壓閥，流量系數(shù)可簡化成一個二元函數(shù)；2）調(diào)節(jié)閥后壓力恒定。

3.1 阻塞流函數(shù)圖像

以單座、柱塞、流開型調(diào)節(jié)閥為例，繪制阻塞流的C圖像。其中，P1=0.1～0.4 MPa，P2=0.003 MPa，阻塞流函數(shù)編程如圖3所示。得出圖像如圖4所示。

圖3 阻塞流函數(shù)編程

3.2 非阻塞流函數(shù)圖像

同樣以單座、柱塞、流開型調(diào)節(jié)閥為例，繪制非阻塞流的C圖像。其中，P1=0.4～0.8 MPa，P2=0.35 MPa，非阻塞流函數(shù)編程如圖5所示。得出圖像如圖6所示。

將Qg恒定，如1000 m3/h，可分別得到C和P1的函數(shù)關(guān)系圖，如圖7和圖8所示。

4 調(diào)壓閥兩種選型法的幾組對比數(shù)據(jù)

針對國內(nèi)某燃?xì)庹{(diào)壓 閥 廠 家RTZ 某型號DN40、DN50、DN65、DN80、DN100、DN150對應(yīng)的流量數(shù)據(jù)表和數(shù)值計算對應(yīng)的調(diào)壓閥通徑選型作以比對。限于篇幅，本文只列出DN150流量表和數(shù)值計算法得出的調(diào)壓閥通徑對比，如表3所示。

圖4 阻塞流的流量系數(shù)C-Qg-P1圖像

圖5 非阻塞流函數(shù)編程

圖6 非阻塞流的流量系數(shù)C-Qg-P1圖像

圖7 阻塞流的流量系數(shù)C-1000-P1曲線

圖8 非阻塞流的流量系數(shù)C-1000-P1曲線

表3 查表選型法和數(shù)值計算法數(shù)據(jù)對照表

5 結(jié)論和探討

5.1 結(jié)論

1）對于氣體阻塞流或非阻塞流，若出口壓力恒定，隨著入口壓力的增大，流量系數(shù)均呈下降趨勢，流量越大，流量系數(shù)減小越快。

2）若理論可調(diào)比R=30，則最大流量和正常流量比不宜大于1.8，否則流量放大倍數(shù)m和最大流量系數(shù)Cmax會成為復(fù)數(shù)，將失去物理意義。

3）除調(diào)壓閥結(jié)構(gòu)特性之外，其他參數(shù)相同的調(diào)壓閥，閥門開度為：快開＜直線＜拋物線＜等百分比。

5.2 探討

按正常流量計算出的調(diào)壓閥口徑，計算流量對應(yīng)調(diào)壓閥口徑和試驗流量對應(yīng)調(diào)壓閥口徑可能會相差1～2個規(guī)格等級，且流量越大誤差越大。造成這種誤差原因可由額定流量系數(shù)C100計算誤差、天然氣壓縮比z和絕熱系數(shù)k的取值誤差展開誤差分析和探討。